生菜叶片绿度的高光谱判别方法研究

摘要

生菜叶片绿度在作物生理及品质感官评价中具有重要作用。结合目前高光谱检测与分析技术在植物生理信息监测中的应用现状,开展了基于高光谱技术的生菜叶片绿度判别方法研究,以此为叶菜品质感官评价的定量化及基于高光谱技术的多功能生理信息同步采集装置的开发提供必要的理论支撑。本文以生菜为研究对象,在三种不同光照强度下开展栽培试验。以叶绿素相对含量(SPAD)作为反应绿度的参数,获取生菜整个生命周期中的动态高光谱和SPAD数据,分析了高光谱曲线的变化规律,建立了高光谱与SPAD之间的关系模型。采用Savitzky-Golay卷积平滑(SG)方法对原始高光谱数据进行降噪,平滑后的数据分别与多元散射校正(MSC),标准正态变量变换(SNV)和一阶导数(FD)三种预处理方法组合,采用竞争性自适应重加权取样法(CARS)和提取有效植被指数(VI)两种方法进行敏感波长提取,结合偏最小二乘(PLS)和最小二乘支持向量机(LSSVM)两种方法建模,以决定系数(R^(2))和均方根误差(RMSE)为评价指标,优选出最优绿度判定模型。结果表明:在10,20和30d的生菜全生命周期内,不同光照强度下的高光谱曲线表现出总体变化趋势一致但反射率值不同的特征,在可见光450~680nm范围内,自然光照条件下的生菜高光谱反射率值要高于补光处理条件下的反射率值;而在近红外730~850nm范围内,生菜叶片的高光谱响应特征恰好与可见光范围内相反。基于SG+FD预处理与CARS敏感波长提取方法的组合可实现叶绿素相对含量特征信息的最有效提取,提取的敏感波长占全波长的64.59%,与原始高光谱(1.25%)相比,提取的敏感波长数增加了63.34%。最终确定LSSVM方法为最优建模方法,基于SG+FD+CARS+LSSVM组合方法所建模型为最优生菜绿度判定模型,训练集R_(e)^(2)=0.9207,RMSEC=1.1610,预测集R_(p)^(2)=0.8288,RMSEP=2.4008,模型精度较高,可以实现生菜叶片绿度判别的目的。